35CrMo鋼表面鐵基激光熔覆層的組織和耐磨性能

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(中南大學(xué)1.機(jī)電工程學(xué)院，2.高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

0 引 言

在海洋高性能船舶動力定位設(shè)備中，5 000 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的回轉(zhuǎn)軸采用35CrMo鋼制成，作用是使72 t推進(jìn)器主體部件在海洋環(huán)境中進(jìn)行360°全回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)軸在交變載荷和摩擦條件下長期工作時易發(fā)生腐蝕和磨損。通過改進(jìn)回轉(zhuǎn)軸的鑄造和鍛造方法可提高其整體性能[1-2]，但僅靠傳統(tǒng)的熱處理工藝無法滿足回轉(zhuǎn)軸表面的高性能要求，而回轉(zhuǎn)軸表面的硬度和耐磨性是影響回轉(zhuǎn)軸工作壽命的關(guān)鍵因素。激光熔覆技術(shù)是用激光束快速加熱和熔化熔覆層材料和基體材料，然后依靠金屬材料的導(dǎo)熱性質(zhì)迅速冷卻并固化，從而形成低稀釋率的冶金結(jié)合表面的一種改性技術(shù)。該技術(shù)具有冷卻速率快、稀釋率低、可形成冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，可在基體表面形成具有優(yōu)異性能的熔覆層。CHEN等[3]和YAO等[4]研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆后材料表面形成了均勻一致的細(xì)晶組織。研究表明，激光熔覆后材料表面的硬度和耐磨性都得到了提高[5-7]。然而，有關(guān)激光熔覆后35CrMo鋼表面組織和耐磨性能研究的報(bào)道較少。LC3530鐵基粉末作為熔覆材料能夠很好地與35CrMo鋼結(jié)合。作者研究了35CrMo鋼基體表面激光熔覆LC3530鐵基粉后的顯微組織、硬度和耐磨性能，并與基體的進(jìn)行了對比分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基體材料為用于制造大型回轉(zhuǎn)軸的35CrMo鋼，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，激光熔覆材料為LC3530鐵基粉，其化學(xué)成分分別如表1和表2所示。在激光熔覆前，將35CrMo鋼表面用砂紙打磨、拋光以去除表面的氧化皮，然后用丙酮清洗以獲得光滑和清潔的表面。采用TFL-H600型CO2激光熔覆裝置將LC3530鐵基粉熔覆在基體表面，熔覆期間通入氬氣作為保護(hù)氣，激光功率1 350 W，掃描速度10 mm·s-1，光斑直徑5 mm，重疊率50%。

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 35CrMo steel (mass) %

表 2 LC3530鐵基粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of LC3530 iron-based powder (mass) %

圖1 銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意Fig.1 Schematic of pin-on-disk friction and wear test machine

對基體試樣和熔覆層試樣進(jìn)行研磨、拋光、清洗和吹干處理?；w試樣用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕30 s后，采用DSX500型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織；在Phonom ProX型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察拋光后熔覆層試樣的顯微組織。采用HV-1000A型顯微硬度計(jì)測基體試樣和熔覆層試樣表面的維氏硬度，載荷為4.9 N，加載時間為15 s，在試樣表面每隔1 mm測一個點(diǎn)，共測20個點(diǎn)，計(jì)算平均硬度和方差?；瑒幽Σ翖l件下，采用如圖1所示的銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為φ8 mm×16 mm，試驗(yàn)溫度為室溫，平均滑動速度為0.283 m·s-1，載荷為10 N，總滑動距離為339.6 m，采用精度為0.000 1 g的分析天平稱取磨損前后試樣的質(zhì)量，計(jì)算磨損前后的質(zhì)量差，即為磨損量。材料的耐磨性通過磨損系數(shù)K來表征，其表達(dá)式[8]為

K=ΔmH/(ρpvt)

(1)

式中：Δm為試樣的磨損量，mg；H為試樣的洛氏硬度，HRC，通過硬度換算表和插值法將維氏硬度換算得到；ρ為試樣的密度，mg·mm-3；p為接觸面壓力，N；v為滑動速度，mm·s-1；t為磨損時間，s。

磨損試驗(yàn)后，采用NT9100型非接觸式光學(xué)表面輪廓儀觀察磨痕的三維形貌，以試樣表面中心處高度為基準(zhǔn)點(diǎn)，得到試樣表面相對基準(zhǔn)的輪廓位移分布。在Phonom ProX型掃描電子顯微鏡下觀察試樣的磨痕，并用其附帶的能譜儀(EDS)表征磨損表面的微區(qū)成分。

圖2 基體和熔覆層的顯微組織Fig.2 Microstructures of substrate (a) and cladding layer (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織和硬度

由圖2可以看出：基體顯微組織為滲碳體和鐵素體組成的回火索氏體，其中粒狀滲碳體清晰可見，而熔覆層組織為均勻細(xì)小的等軸晶，這與他人研究結(jié)果一致[9-11]；基體的晶粒尺寸在20 μm左右，而熔覆層的晶粒尺寸大多在8 μm，熔覆層晶粒得到明顯細(xì)化。由霍爾-佩奇關(guān)系[12]可知，晶粒細(xì)化一個等級，材料的強(qiáng)度可提高一倍，同時還可保持良好的塑性和韌性配合，最終可使其使用壽命增加一倍。

硬度是衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)，一般硬度越高，材料的耐磨性能越好[13-16]。由試驗(yàn)結(jié)果可知:基體的平均硬度為254.1 HV，方差為3.586；熔覆層的平均硬度為640.5 HV，方差為2.436。這表明激光熔覆能顯著提高試驗(yàn)鋼的表面硬度，增幅為150%，且硬度分布更加均勻。造成這種硬度差異的原因?yàn)椋夯w組織為由鐵素體和碳化物組成的回火索氏體，鐵素體硬度低，碳化物硬度高，導(dǎo)致表面硬度低且分布不均勻；熔覆層組織為細(xì)小均勻的等軸晶組織，晶粒的細(xì)化不僅提高了熔覆層的硬度，也使得硬度分布更加均勻。

2.2 耐磨性能

基體和熔覆層試樣的磨損量分別為0.008 7，0.001 3 g，計(jì)算得到其磨損系數(shù)分別為2.75×10-6，0.60×10-6mm2·N-1。可知在相同試驗(yàn)條件下，熔覆層試樣的磨損量僅為試樣的1/7，磨損系數(shù)是基體試樣的1/5，這表明經(jīng)過LC3530鐵基粉激光熔覆后35CrMo鋼表面的耐磨性能得到顯著提高，這是由于具有高硬度的激光熔覆層阻礙了摩擦磨損過程而導(dǎo)致的。

磨損試驗(yàn)后磨痕輪廓也能反映材料的耐磨性能。由圖3可以看出：磨損試驗(yàn)前，基體試樣的表面位移分布在-0.4～0.4 μm，熔覆層試樣的分布在-0.07～0.08 μm，兩個試樣的表面形貌都較平整。

圖3 磨損前基體試樣和熔覆層試樣表面的三維輪廓和二維輪廓Fig.3 Three-dimensional profile (a-b) and two-dimensional profile (c-d) of substrate sample (a, c) and cladding layer sample (b, d) before wear

由圖4可以看出：磨損后，基體試樣的表面溝槽沿滑動方向均勻分布，且溝槽較深，犁溝的峰谷位移在-6～6 μm，基體試樣發(fā)生典型的犁削式磨損；熔覆層試樣表面存在沿滑動方向均勻分布的細(xì)小磨紋，犁溝很淺，犁溝的峰谷位移在-0.6～0.3 μm，這表明熔覆層試樣表面只發(fā)生了輕微的磨損。

表3中表面粗糙度參數(shù)Ra，Rq和Rt分別表示測試平面內(nèi)三維輪廓算術(shù)平均值、均方根平均值及輪廓最大高度。由表3可以看出：磨損后基體試樣的表面粗糙度參數(shù)Ra、Rq和Rt分別增加了1 000%，830%和480%，而熔覆層試樣的Ra和Rq與磨損前的相比均大幅下降，Rt小幅下降。這表明磨損后熔覆層試樣的表面粗糙度明顯降低。磨損后熔覆層試樣表面光滑如初，而光滑表面有利于降低摩擦因數(shù)，減少磨損量，延長零件的使用壽命。

表3 磨損前后基體試樣和熔覆層試樣的表面粗糙度Table 3 Surface roughness of substrate sample and cladding layer sample before and after wear

2.3 磨損表面SEM形貌和微區(qū)成分

由圖5可以看出：基體試樣磨損表面有多條較深的犁溝和大量微裂紋，磨損機(jī)制為犁削磨損，表面微裂紋的存在會加速35CrMo鋼回轉(zhuǎn)軸在海洋環(huán)境下的腐蝕與磨損，導(dǎo)致裂紋從表面延伸到回轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，最終引起回轉(zhuǎn)軸的斷裂；熔覆層試樣表面僅有較少的相互平行的輕微劃痕，磨損機(jī)制為微觀切削。

圖4 磨損后基體試樣和熔覆層試樣磨損表面磨痕的三維輪廓和中心磨痕的二維輪廓Fig.4 Three-dimensional profile for wear surface wear scar (a-b) and two-dimensional profile for center wear scar (c-d) of substrate sample (a, c) and cladding layer sample (b, d) after wear

圖5 磨損后基體試樣和熔覆層試樣磨損表面的SEM形貌及EDS分析位置Fig.5 SEM morphology and EDS analysis positions of wear surface of substrate sample (a) and cladding clayer sample (b) after wear

由表4可以看出，基體試樣在微裂紋處(點(diǎn)1位置)的氧元素含量較高，鉻和鉬的元素含量較低，其他區(qū)域(點(diǎn)2位置)的鉻含量很低，但沒有檢測到鉬元素，表明基體試樣磨損表面沒有形成含有鉻與鉬的耐磨合金化合物或碳化物，這會導(dǎo)磨損過程中試樣表面產(chǎn)生大量的熱，使得鐵發(fā)生氧化形成鐵的氧化物，但鐵的氧化物并不耐磨，最終試樣表面形成了很深的犁溝和多條微裂紋。熔覆層試樣表面鉻元素含量很高，易在表面形成耐磨的鈍化膜，同時表面含有少量的鉬元素，可形成由鐵、鉻、鉬和碳組成的高硬度(650～700 HV)合金碳化物，這不僅提高了試樣表面的硬度，同時也增強(qiáng)了其耐磨性[17]。

表4 圖5中不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 EDS analysis results of different positions shown in Fig.5 (mass) %

3 結(jié) 論

(1) 基體組織為由鐵素體和滲碳體組成的回火索氏體，晶粒尺寸在20 μm左右，而激光熔覆層組織為均勻細(xì)小的等軸晶粒，晶粒尺寸大多在8 μm；基體的平均硬度為254.1 HV，而激光熔覆層的平均硬度為640.5 HV，且表面硬度分布更加均勻。

(2) 在相同試驗(yàn)條件下，激光熔覆層試樣的磨損量僅為基體試樣的1/7，磨損系數(shù)是基體試樣的1/5，且磨損后激光熔覆層試樣的表面粗糙度較磨損前的大幅降低，表明經(jīng)過LC3530鐵基粉激光熔覆后35CrMo鋼表面的耐磨性能得到顯著提高。

(3) 基體試樣磨損表面有多條較深的犁溝和大量微裂紋，磨損機(jī)制為犁削磨損，而激光熔覆層試樣表面僅存在較少的相互平行的輕微劃痕，磨損機(jī)制為微觀切削；基體試樣表面氧含量高，合金元素含量低，鐵被氧化形成鐵的氧化物，耐磨性差，而激光熔覆后表面合金元素含量高，能形成含有鐵、鉻、鉬和碳等的高硬度合金碳化物，因此耐磨性顯著提高。